原岩应力学术价值及测定方法探究

原岩应力学术价值及测定方法探究王志斌(大连大学建筑工程学院辽宁大连116622)摘要：本文阐述了原岩应力的基本理论、指导原则和主要技术; 原岩应力对的学术意义，对原岩应力的测量方法做了介绍, 特别是对目前世界上应用最广泛的套孔应力解除法, 在查阅了近10年的相关文献的研究成果的基础上, 作了比较详细的论述和评价。

关键词：原岩应力；地应力测量；直接测量法；间接测量法；绪言岩体介质有许多有别于其他介质的重要特性, 由岩体的自重和历史上地壳构造运动引起并残留至今的构造应力等因素导致岩体具有初始地应力（或简称地应力）是最具有特色的性质之一。

就岩体工程而言，如不考虑岩体地应力这一要素，就难以进行合理的分析和得出符合实际的结论。

地下空间的开挖必然使围岩应力场和变形场重新分布并引起围岩损伤，严重时导致失稳、垮塌和破坏。

这都是由于在具有初始地应力场的岩体中进行开挖所致，因为这种开挖“荷载”通常是地下工程问题中的重要荷载。

由此可见，如何测定和评估岩体的地应力，如何合理模拟工程区域的初始地应力场以及正确和合理地计算工程问题中的开挖“荷载”，是岩石力学与工程问题中不可回避的重要问题。

正因为如此，在岩石力学发展史中有关地应力测量、地应力场模拟等问题研究和地应力测试设备的研制一直占有重要的地位。

地应力测量与研究的崛起和发展，是20世纪在岩石力学领域中非常振奋人心的科研成果，它的应用已普及土木、水电、矿山、交通、军工等系统的工程建设和地震机制研究中。

基础理论1 何谓原岩应力是指岩体处于天然产状条件下所具有的内应力。

有的称为岩体初始应力, 或天然岩体内应力,这种天然的内应力主要是由于地壳构造运动而产生的水平应力造成的, 其次是上覆岩层的自重作用造成的内应力还有变异应力及其它应力。

2 原岩应力的划分原岩应力是在漫长的地质历史时期中逐渐形成的, 主要是重力场和构造应力综合作用的结果。

有的地方在岩浆活动及岩体的物理化学变化等作用下形成的。

地应力按其成因可分为自重应力, 构造应力以及变异和残余应力等类型。

地壳表层岩体的天然应力状态是这几种应力组合而成的。

不同地区由于地质条件和地质历史不同, 这几种应力组合的特征也是不同的, 应当根据实际情况加以分析。

2.1 自重应力是在重力场的作用下由于岩体自重而产生的内应力。

例如: 在深度H m 处所形成的垂直应力。

: 可用式(l) 计算z Hσγ=（1）式中: γ为岩体容重3kN/m在垂直应力作用下, 由于泊松效应在水平轴X和Y轴方向产生水平方向的侧向应力xσ和y σ 其大小可按(2) 式计算。

x σ=y σ=1z μλσμ=-式中: γ— 岩体容重;H 一某点深度;μ一岩石泊松比λ— 岩体测向压力系数。

坚硬岩石μ=0.2 0.3则λ=0.25 0.43，因而x σ、y σ总是小于z σ 的, 这就是说地壳浅部坚硬岩体的自重应力,其垂直应力z σ总是大于水平应力h σ的。

即:1h zσλσ=< 但是在地壳深部岩体处于上覆岩层较大荷载的长期作用下, 或当浅部岩石比较软弱，μ=0.5时，则1h zσλσ=≈ 在此种情况下岩体的应力状态, 即接近于所谓海姆静水压力状态了。

2.2 构造应力指由构造运动而产生的地应力。

以往的构造所形成内应力在岩体中残留下来的又叫残余应力, 近期和现代构造运动所形成的还在活动的内应力又叫活动性内应力。

构造应力的基本特征是具有较高的水平压应力。

(l) 水平压应力大于垂直应力。

(2) 具备各向异性十分明显, 垂直折皱走向的水平压应力比沿走向的大得多。

据此可以区别于自重应力场, 已有大量实测资料表明, 大多数地区的地应力状态是以水平应力为主, 这说明构造运动在地壳岩体天然应力的形成中起着主导作用。

(3) 在应力场随时间而变化, 各时期的特点和历次变化情况, 均可由遗留下的构造形迹加以辨认和确定。

构造应力场的基本要素就是最大应力max σ的方位与大小, 以及三向应力状态类型。

2.3变异应力及其它应力有的地应力是由于岩体的物理、化学变化而引起的, 当岩体发生了变异时往往引起岩体体积变化,引起岩体中天然应力的积累和变化。

这种地应力一般仅是局部的, 强度也不像构造应力那样大。

岩浆活动也常形成地应力, 当岩浆侵人时沿接触带产生很大的压应力。

3 原岩应力的学术价值3.1 基坑变形破坏(l) 基坑底部变形。

基坑的开挖, 实际上是一种卸荷作用, 使岩体的垂直应力迅速解除, 导致临空上应力状态由原来的三向应力状态变为二向应力状态, 因而岩体体积膨胀, 慢慢松弛, 产生裂隙(这就是一种卸荷裂隙) 。

1933年 1942 年美国大力古坝在挖基过程中花岗岩呈水平层状裂开, 开挖很深都是这样, 与原勘探资料岩性一致, 裂隙突然增多(随开挖发展增多)。

加拿大挖一个基坑在奥陶纪灰岩内, 坑深巧m , 坑壁突然裂开, 沿原有裂隙迅速延伸, 靠近裂隙的岩层在几分钟之后向上隆起, 最大隆起达2.4 m, 隆起轴的方向与区内最大主应力的作用方向垂直。

经实测, 岩体的初始水平应力值为14MPa 。

(2 ) 基坑边坡破坏。

边坡崩坍或者滑移, 这是因开挖边坡引起应力集中而发生破坏。

如甘肃某基坑边坡开挖造成边坡大规模滑移, 后经调查测试, 因开挖引起应力集中, 其水平应力值达40MPa o又如长江上某一个水电站工程建于白至系下统岩层上、岩层倾角6o 一8 “ , 当厂房基坑挖至50 m 深时, 发现上下游边坡均沿几个主要软弱夹层向基坑内滑移, 以致原先钻凿的大口井桩基支护工程明显地破坏, 滑移方向与区内地应力的最大主应力方向一致。

再如陕西汉江火石岩水电站, 当坝肩基坑挖下约10 15m 时, 坝肩坡体产生大滑坡, 剪断边坡支挡的锚固桩, 滑坡宽150 m 左右, 长200m 左右, 前后高差达25Om ,滑动方向与区内地应力的最大主应力方向一致。

3.2 开挖岸坡地应力引起变形如意大利瓦依昂河谷深切达30m 以上,岸坡由侏罗纪石灰岩组成, 岩体初始应力很大,在开挖边坡过程中,由于应力的解除,岩体很大一部份脱开岩壁并发生爆裂响声, 分离出的岩块厚约10cm 。

向底部开挖时, 在深9 18m 处发生岩爆。

3.3 地下开挖中的岩爆岩爆的发生是由于岩体内积蓄有极大的应变能, 开挖地下坑道使应力进一步集中, 超过围岩的强度, 突然释放出来, 因而发生岩爆。

如加利纳矿采掘16年,发生危害性岩爆竟达128 次之多,原因是该矿围岩为坚硬的石英岩,具有形成高储能体的条件。

实际测得的51.3,45.7z h MPa MPa σσ==，这些数值是很大的, 瑞士的维塔斯电站, 在开挖输水隧洞时也曾发生岩爆。

我国在工程建设中也曾多次遇到岩爆的发生。

例如成昆铁路官村坝隧道及渔子溪水电站的地下厂房等, 在开挖过程中都曾有岩爆发生。

对岩爆发生的判据, 现在应用最广泛的是岩爆的应力判据, 采用岩石单轴抗压强度(c σ)与最大内应力(max σ)的比值进行判别, 当。

max cσσ > 7无岩爆,, max c σσ=4 7为轻微一中等岩爆, max c σσ<4 为严重岩爆。

4 原岩应力应力对地下工程的影响对于地下建筑来说, 岩体初始应力及开挖后的二次应力场影响是特别明显的。

下面就三个方面进行说明。

(l) 对地应力的了解有助于正确选择开挖洞室的方位和断面形状。

为了预测作用于洞室顶板, 边墙和底板上的应力, 必须测定岩体初始应力的大小和方向, 考虑到地应力的影响。

据此选择开挖洞室方位和断面形状, 使得洞室边墙内拉应力减到最小, 也使压应力极度集中减至最小。

一般说来, 隧洞轴线的方向平行于最大主应力方向者要比垂直者稳定得多。

如甘肃某地下巷道。

巷道围岩为超基性岩和大理岩, 巷道方向为N 60W, 标高1250 1300 m ,埋深400 450m ,巷道断面为马蹄形, 混凝土衬砌以后不久,突然发生严重的变形破坏,拱顶剥落,侧墙内推开裂,底板隆起,在有断层破碎的地段,破坏更为严重,几次修复,变形破坏仍不停止, 以致不能使用。

后来进行了地应力的研究和量测, 发现岩体最大水平应力高达180 195MPa 。

其方向为N 30 E,与上述巷道方向垂直,从而找到了巷道破坏的原因,据此修改了设计方案,将巷道方向调整为N 23 E 方向,基本与最大主应力方向N 30E 平行,巷道标高1200m,埋深500m,开挖结果,其稳定性十分理想。

按理论该巷道调整后埋置深度大, 而断面形式及衬砌并未改变, 应该是变形破坏更为严重, 结果则非, 就是因为巷道方向与最大主应力方向近于平行, 减少了地应力的影响, 因而表现稳定。

(2)作为围岩稳定性判据。

隧道围岩丧失稳定乃是围岩二次应力与岩体强度特性的矛盾过程的发展结果。

围岩的二次应力是客观存在的, 但能否造成隧道围岩的失稳破坏, 要具有一定的转化条件和转化过程。

从工程设计的角度来看, 这个转化条件就是所谓判据, 实践证明,只有围岩的应力状态超过岩体的强度条件,才能造成岩体的塑性变形,剪切破坏、坍塌、滑动、弯曲变形等失稳的前兆。

(3)了解和认识围岩的二次应力场和位移是设计洞室支护结构的基础。

洞室开挖前岩体处于初始应力状态, 开挖隧道后引起了围岩应力的重分布,形成了新的应力场,称之为围岩的二次应力状态,同时, 围岩将产生向隧道内的位移。

如果二次应力状态能够满足长期围岩稳定性条件,而且围岩向隧道内的位移又不致侵人限界,那么,不设任何支护结构,围岩也能保持长期稳定, 从受力的角度来看, 支护结构是不必要的,它只是用来防止围岩风化,减少通风阻力,以及作为安全储备的抵抗围岩状态恶化和特殊灾害造成的意外荷载。

否则就必须设置支护结构,从隧道内部对围岩施加约束,控制围岩变形,改善围岩的应力状态。

由此可知,支护结构在隧道结构体系中的作用与围岩的二次应力状态直接有关, 随着地应力量测研究工作的进展,对围岩中存在地应力这一确切事实已经没有什么人怀疑了, 现在的主要问题是要搞清楚它的分布规律。

由于产生地应力的原因非常复杂,目前,仍不 能完全认识它的规律而给出明确的定量。

还有待我们继续探索。

相信随着岩土工程实践中不断的探索, 终将能认识它的规律, 以防止它在工程建设中产生的危害。

5原岩应力测量方法介绍岩体应力现场测量的目的是了解岩体中存在的应力大小和方向，从而为分析岩体工程的受力状态以及为支护及岩体加固提供依据。

岩体应力测量还可以是预报岩体失稳破坏以及预报岩爆的有力工具。

岩体应力测量可以分为岩体初始应力测量和地下工程应力分布测量，前者是为了测定岩体初始地应力场，后者则为测定岩体开挖后引起的应力重分布状况。

从岩体应力现场测量的技术来讲，这二者并无原则区别。

原始地应力测量就是确定存在于拟开挖岩体及其周围区域的未受扰动的三维应力状态。